Виртуальный инжиниринг

Проектирование компрессоров в программном обеспечении от ESI ITI: SimulationX

В проектировании компрессоров появилось новое направление, основанное на имитационном моделировании, при котором каждая часть компрессорной установки анализируется и оптимизируется при помощи имитационной модели. Увеличение инженерных усилий на ранних этапах проектирования позволяет сократить время и затраты, связанные с внесением изменений в конструкцию на поздних этапах разработки. В авангарде этого направления расположился инструмент имитационного моделирования - SimulationX, который используют в качестве основы для имитационного проектирования в силу своей универсальности.

Ключевым фактором при выборе программного обеспечения для проектирования компрессоров на основе имитационного моделирования является наличие возможности расчета мультифизических систем. В компрессоре пневматическая, электромеханическая системы и алгоритмы их управления взаимодействуют настолько тесно друг с другом, что специальные инструменты, работающие исключительно с одной подсистемой, неточно отображают физическое поведение реального устройства. Примером такого взаимодействия между подсистемами является определение вибраций, возникающих в приводе компрессора из-за пульсаций давления. На рисунке 1 показана простая модель пневматической и электромеханической систем винтового компрессора. Каждая механическая часть представлена инерционным элементом с соответствующим моментом инерции. Массы разделены упругими или демпфирующими элементами, которые вычисляют жесткость соединения между ними. В элементе редуктора учитывается жесткость зубьев и боковой зазор, в элементах компрессора и объема воздуха вычисляют колебания давления, вызванные подачей воздуха и повышением температуры в результате процесса сжатия.

Рисунок 1: Модель винтового компрессора в SimulationX

Модель используется для вычисления собственных частот системы или определения крутящих моментов, которые испытывает двигатель при запуске. На рисунке 2 приведены результаты расчета во время запуска двигателя, при котором для достижения номинальной частоты вращения в 1500 об/мин требуется около 1,5 секунд. На графике слева отображена зависимость момента вращения на валу двигателя от его частоты вращения. Эластичность муфты приводит к колебаниям между положительным и отрицательным крутящим моментом, которые уменьшаются после того, как двигатель достигает частоты вращения более 600 об/мин. На графике справа показана разность фаз левой и правой сторон муфты. В этом случае причиной колебаний, показанных на диаграммах, является процесс запуска асинхронного двигателя. 

Рисунок 2: Результаты расчета при запуске двигателя

Результаты моделирования помогают инженеру определить правильный размер двигателя и поэкспериментировать с выбором различных муфт для определения эффекта при смещении собственных частот. На рисунке 3 показано распределение энергии в модели, показанной на рисунке 1 для собственной частоты 41 Гц. Пропорционально высокое значение потенциальной энергии в элементе coupling.coupling1 показывает, что уменьшение его собственной частоты может быть достигнуто при использовании более мягкой связи. Это благоприятно скажется на процесс запуска двигателя, так как он подключен к электрической сети частотой 50 Гц.

Рисунок 3: Распределение энергии при собственной частоте в 41 Hz

В процессе сжатия воздуха значительная часть механической энергии вращения ротора компрессора преобразуется в тепловую энергию, которую необходимо отводить в окружающую среду при помощи системы охлаждения. В зависимости от мощности компрессора, система охлаждения будет иметь различные комплектацию и систему управления. На рисунке 4 продемонстрирована упрощенная модель замкнутой системы водяного охлаждения поршневого компрессора, спроектированная в SimulationX.

Рисунок 4: Модель системы водяного охлаждения для поршневого компрессора, смоделированная в SimulationX

В данной модели тепло передается от сжатого воздуха, проходящего в межтрубном пространстве водо-воздушного теплообменного аппарата, воде, протекающей в трубках данного аппарата, после чего она направляется по трубопроводу в резервуар. Центробежный насос забирает воду из резервуара, после чего она вновь направляется в водо-воздушный теплообменный аппарат или байпасируется термоклапаном, в зависимости от температуры воды. Охлажденная вода затем снова поступает в теплообменный аппарат для отвода тепла от сжатого воздуха.

Результатами данного моделирования будут значения давления и температуры, а также потоков энергии в отдельных компонентах системы, зависящие от объемных расходов воды и воздуха, проходящих через теплообменный аппарат. Влияние повышенных нагрузок и условий окружающей среды на систему могут быть смоделированы на этапе разработки. Результаты данного моделирования помогут инженеру при проектировании и определении размеров отдельных компонентов системы охлаждения. Имитационная модель позволяет определять и оптимизировать потребление энергии компонентами системы.

Другим распространенным применением имитационного моделирования является создание и испытание кода контроллеров. В этом случае контроллер, или модель контроллера, подключается к виртуальной установке, т.е. к имитационной модели компрессора.

Данная возможность существенное упрощает разработку и тестирование программного кода контроллера до момента ввода оборудования в эксплуатацию. Испытания программного кода воспроизводимы и могут быть автоматизированы, а в случае ошибок в работе контроллера или возникновении аварийных ситуаций при тестировании удается избежать повреждений реального оборудования. Для разработки кода контроллера используются три технологии, далее опишем их более подробно.

Model in the Loop (модель в контуре управления): Создается имитационная модель контроллера, которая воздействует непосредственно на имитационную модель системы.

Software in the Loop (программа в контуре управления): Реальный программный код контроллера воздействует непосредственно на имитационную модель системы.

Hardware in the Loop (оборудование в контуре управления): Программный код контроллера работает на собственной аппаратном платформе и связывается с имитационной моделью системы посредством физических сигналов. Сама имитационная модель системы экспортируется на машину реального времени.

Каждая из этих технологий используется на разных этапах разработки контроллера. Model in the Loop (MiL) используется на ранних стадиях проектирования для разработки и тестирования алгоритмов управления оборудованием.

Software in the Loop (SiL) является следующим шагом в процессе разработки. Создание кода контроллера завершено, но он не работает на собственной аппаратной платформе. Контроллер может работать на эмуляторе - Siemens PLCSim, в среде разработки - B&R Automation Studio, на SoftSPS или Windows DLL. Hardware in the Loop (HiL) тестирование является наиболее трудоёмким с точки зрения прилагаемых усилий и технологических требований, но также и наиболее точной формой виртуального тестирования. В HiL используются как аппаратное, так и программное обеспечение реального контроллера. Имитационная модель системы больше не работает в среде моделирования, а экспортируется на платформу HiL и работает в режиме реального времени. Сигналы интерфейса генерируются платформой HiL.

Таким образом, программы управления оборудованием могут быть виртуально разработаны и испытаны.

При таком большом количестве различных подсистем (двигатель, системы охлаждения, управления и т.д.), взаимодействующих друг с другом и зачастую проектируемых разными командами, важно иметь общую структуру данных для всех команд, с которой можно будет работать. Системная инженерия, основанная на моделях (MBSE) направлена на продвижение интеграции технических областей, дисциплин и рабочих процессов путем создания системной модели, сохраняющей взаимосвязи и связи между неисправностями, возникающими в жизненном цикле продукта. Тесная интеграция инструментов имитационного моделирования, а именно SimulationX, в инфраструктуру MBSE не только улучшает процесс проектирования на ранних этапах, но и позволяет интегрировать имитационные модели и результаты испытаний в данные жизненного цикла. 

Таким образом, создается платформа, в которой требования, предъявляемые к конструкции, проектированию имитационных моделей и результатам имитационного моделирования в виде виртуальных тестовых кейсов связаны с требованиями для валидации. Благодаря эффективности данного подхода, усилия по разработке системы могут быть значительно уменьшены.